一种基于多目标优化的初中教学统筹调度系统及方法与流程

本发明涉及教育信息化调度，具体为一种基于多目标优化的初中教学统筹调度系统及方法。

背景技术：

1、随着教育信息化的深入推进，初中学校教学管理工作日趋复杂。初中阶段涉及多年级、多班级、多学科及数十名教师的协同教学，每周需安排数百个教学任务的课时、教师、教室和时间槽，资源协调难度极大。同时还需满足课程均衡分布、教师连续授课限制、学生劳逸结合等多项隐性规则。

2、排课问题本质上是一类多约束条件下的多目标组合优化问题，自1976年起已被证明属于np完全问题，其求解难度随问题规模增大呈指数级增长。初中教学统筹调度需同时处理多重约束：硬性约束包括同一教师、同一班级、同一教室在同一时间不能冲突安排，教室容量须满足学生人数要求；软性约束包括教师时段偏好、学科时段分布、班级每日课程均衡性、学科日期间隔合理性及教室资源均衡利用等，各类约束相互交织，求解极为困难。

3、现有技术中的初中教学统筹调度主要依赖以下方式：

4、第一，传统人工排课。教务人员凭经验手工编排，存在明显缺陷：效率低下，完整排课需耗时7至14天；冲突频发，难以穷尽检查所有组合；规则繁杂，数十条规则难以全面兼顾；软性需求几乎被忽略；应变僵化，临时调课牵一发而动全身。

5、第二，基于简单规则的排课软件。部分软件采用规则引擎或回溯试探法实现自动排课，但仅能处理简单确定性规则，难以应对复杂的多约束多目标优化需求；通常只能生成单一方案，无法提供多个优化方案供选择；对软性约束处理能力有限。

6、第三，基于遗传算法等启发式算法的研究。已有研究者设计了三维编码结构，构建融合学科节次优度和排列梯度的适应度函数进行排课优化，但仍存在不足：大多采用加权求和法将多目标转化为单目标，权重系数依赖先验知识，难以准确反映各目标间的真实权衡关系；缺乏完整系统化架构，未将数据采集、资源调度、算法优化和可视化控制整合为有机整体；缺少针对初中教学特殊需求（如跨年级兼课、合班教学、连堂需求）的系统设计；扩展性不足，难以接入第三方算法或对接教务管理系统、电子班牌等外部系统，形成信息孤岛。此外，现有系统在数据安全方面普遍缺乏完善的加密存储、传输加密和权限管理机制。

7、中国专利公告号cn 119831790 b公开了一种智慧校园教学空间统筹管理系统，包括数据获取模块，用于获取教学空间数据、教学计划数据、资源使用数据和预约请求数据；数据处理模块，用于对获取的数据进行预处理，得到教学空间参数数据、教学计划参数数据、资源使用参数数据和预约参数数据；将教学空间参数数据和资源使用参数数据进行加权融合，得到空间特征数据；资源管理模块，用于根据空间特征数据构建教学空间资源库；智能调度模块，用于根据教学计划参数数据对教学空间进行初次分配，并获取空闲空间数据；预约管理模块，用于对教学空间进行二次分配；通信模块，用于将预约消息发送给用户；为智慧校园的管理提供了高效灵活的解决方案。

8、综上所述现有初中教学统筹调度技术普遍存在排课效率低、冲突频发、软性需求无法兼顾、数据安全无保障等问题，难以满足当前初中学校智能化、精细化、安全化的管理需求，难以对每个环节进行实时监控与对应处理，从而带来诸多不便。

9、因此本发明需要设计一种基于多目标优化的初中教学统筹调度系统及方法来解决上述出现的问题。

技术实现思路

0、 技术实现要素：

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于多目标优化的初中教学统筹调度系统及方法，解决了背景技术中提到的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：

3、一种基于多目标优化的初中教学统筹调度系统，所述统筹调度系统包括课程统筹终端、教室统筹端口、算法控制模型和可视化控制平台，所述可视化控制平台通过互联网分别与课程统筹终端、教室统筹端口、算法控制模型保持数据实时互通与共享，工作人员通过登录所述可视化控制平台从而进入所述统筹调度系统内部，从而逐一查看所述课程统筹终端、所述教室统筹端口和所述算法控制模型的实时运行数据。

4、作为本发明优选的一种实施方式，所述课程统筹终端用于采集、存储和管理全校各年级、各班级的课程基础数据，包括课程名称、课程类型、周课时数、连堂需求、合班需求及跨年级兼课信息；

5、所述教室统筹端口用于采集、存储和管理全校各类教室资源的基礎数据，包括教室类型、教室容量、教室分布位置、可用时段及设备配置信息；

6、所述算法控制模型用于接收所述课程统筹终端和所述教室统筹端口上传的数据，基于多目标优化算法进行排课方案的自动求解与优化；

7、所述可视化控制平台用于提供统一的可视化人机交互界面，展示课表编排结果、教室占用状态、算法运行进度及各项优化指标的实时数据。

8、作为本发明优选的一种实施方式，所述课程统筹终端包括课程统筹单元、调课控制单元和课程更改数据同步单元，所述课程统筹单元和调课控制单元双向通讯连接，所述调课控制单元的输出端与课程更改数据同步单元的输入端通讯连接；

9、所述课程统筹单元用于录入、编辑和删除各年级、各班级的课程基础信息，设定课程的优先级和排课顺序；

10、所述调课控制单元用于接收教师提交的调课申请，对调课申请进行冲突检测和可行性评估；

11、所述课程更改数据同步单元用于在课程信息发生变更时，自动将变更数据同步至所述教室统筹端口和所述算法控制模型。

12、作为本发明优选的一种实施方式，所述教室统筹端口包括教室分布位置统筹单元、教室排课信息统筹单元和教室数据同步单元，所述教室分布位置统筹单元和教室排课信息统筹单元的输出端均与教室数据同步单元的输入端通讯连接；

13、所述教室分布位置统筹单元用于录入和管理全校各类教室的地理位置信息；

14、所述教室排课信息统筹单元用于记录和管理各教室在当前学期内的排课占用情况；

15、所述教室数据同步单元用于在教室排课信息发生变更时，自动将变更数据同步至所述课程统筹终端和所述算法控制模型。

16、作为本发明优选的一种实施方式，所述算法控制模型包括算法控制单元、模型生成单元和外部算法接入单元，所述算法控制单元和模型生成单元双向通讯连接；

17、所述算法控制单元用于配置和管理多目标优化算法的运行参数，包括种群规模、迭代次数、交叉概率、变异概率及各项软约束的权重系数；

18、所述模型生成单元用于根据所述课程统筹终端和所述教室统筹端口提供的数据，构建约束满足问题的多维约束矩阵，运行csp预排生成初始课表种群，再通过改进遗传算法进行迭代优化，生成满足硬性约束且均衡多个优化目标的pareto最优课表方案集；

19、所述外部算法接入单元用于提供标准化的算法接口，支持第三方优化算法的接入和替换，实现算法模块的可插拔式扩展。

20、作为本发明优选的一种实施方式，所述可视化控制平台包括包括可视化展示单元、可视化操作单元和平台适配单元，所述可视化展示单元的输出端与可视化操作单元的输入端通讯连接，所述可视化操作单元和平台适配单元双向通讯连接；

21、所述可视化展示单元用于以热力图、统计图表和三维课表视图的形式展示课表编排结果、教室占用率、教师课时分布和各项优化指标的达成情况；

22、所述可视化操作单元用于提供课表方案的审核、确认、驳回和人工微调操作界面；

23、所述平台适配单元用于适配不同类型的终端设备。

24、作为本发明优选的一种实施方式，所述统筹调度系统还包括子系统接入单元，所述子系统接入单元用于提供统一的数据接口和通信协议，对接学校现有的教务管理系统、智能阅卷系统、家校沟通平台和电子班牌系统。

25、作为本发明优选的一种实施方式，所述统筹调度系统还包括数据安全中心，所述统筹调度系统还包括数据安全中心，所述数据安全中心用于对系统内存储和传输的敏感数据进行加密存储和传输加密。

26、一种基于多目标优化的初中教学统筹调度方法，包括以下具体步骤：

27、s1、构建统筹调度系统，采集全校各年级、各班级的课程基础数据以及全校各类教室资源的基础数据，建立包含课程信息、教室信息、教师信息及时间槽信息的基础数据库，并对课程之间的先后依赖关系、合班需求及跨年级兼课信息进行配置管理；

28、s2、基于步骤s1采集的数据，构建多维度约束矩阵，将排课问题建模为约束满足问题，运行csp预排算法生成满足全部硬性约束的初始课表种群，其中硬性约束包括同一教师在同一时间片至多承担一个教学任务、同一班级在同一时间片至多安排一门课程、同一教室在同一时间片至多分配给一个教学任务、教室容量须大于或等于对应教学任务的学生人数；

29、s3、以步骤s2生成的初始课表种群为输入，通过多目标优化算法进行迭代寻优，在满足全部硬性约束的前提下，对多个软约束目标进行协同优化，生成均衡多个优化目标的pareto最优课表方案集，并通过可视化界面展示课表编排结果及各项优化指标的达成情况供工作人员审核与选择。

30、所述步骤s3中的多目标优化过程采用如下公式计算每个课表方案的综合适应度值。

31、本发明的有益效果是：本发明通过设置课程统筹终端、教室统筹端口、算法控制模型和可视化控制平台，构建了完整的初中教学统筹调度系统，实际操作时，课程统筹终端采集和管理全校各年级、各班级的课程基础数据，包括课程名称、课程类型、周课时数、连堂需求、合班需求及跨年级兼课信息；教室统筹端口采集和管理全校各类教室资源的基础数据，包括教室类型、教室容量、教室分布位置、可用时段及设备配置信息；算法控制模型接收两终端上传的数据，构建多维约束矩阵，运行csp预排生成初始课表种群，再通过改进遗传算法进行迭代优化，采用加权求和综合评价或pareto非支配多目标评价生成满足硬性约束且均衡多个优化目标的课表方案；通过课程更改数据同步单元和教室数据同步单元实现各终端数据的自动同步与一致性保障；通过外部算法接入单元支持第三方优化算法的接入和替换；通过子系统接入单元对接学校现有的教务管理系统、电子班牌等外部系统；通过数据安全中心实现敏感数据的加密存储、传输加密和基于角色的权限管理。本发明有效解决了初中教学统筹调度中排课效率低、冲突频发、软性需求无法兼顾等痛点，排课时间从传统的7至14天压缩至分钟级，对初中教学资源数据及相应的分析结果进行管理、可视化和存储，有助于通过互联网云管控实现初中教学资源管理，提高初中教学资源管理的智能化水平。